玻璃涂层传热性能提升技术研究

玻璃涂层传热性能提升技术研究

曾天会

江苏科宇装饰工程有限公司 江苏 扬州 225115

摘要：在《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中提出到2020年，我国城镇新建建筑能效将提高20%，绿色建筑面积比重超过50%，而建筑能耗的40%消耗在玻璃门窗上，所以提高玻璃的隔热性能尤为关键。

关键词：玻璃涂层；传热性能；提升技术；

引言

耐高温隔热涂料，可有效降低热量损失，广泛应用于汽轮机蒸汽管道及附件、石油裂解装置、加热器、电磁烘缸以及炼钢高温锅炉等高温部位。一般，根据成膜物可以划分为有机耐高温隔热涂料和无机耐高温隔热涂料两大类。其中，有机耐高温隔热涂料一般由成膜物树脂、隔热填料、耐热填料、助剂等组成，具有较好的附着力、韧性、抗热震性能等。据文献报道，常用的成膜物树脂为有机硅、环氧改性有机硅、丙烯酸改性有机硅等，其耐热温度普遍低于450℃，特别是涂层厚度达毫米级时，当温度高于500℃时通常是短时间（1～15min）具备隔热能力并且发生烧蚀。目前，有机耐高温涂料的耐热温度可以达到800℃以上，主要是依靠配方成分和有机硅树脂在高温下二次成膜。然而，由于耐热隔热涂层堆积密度低且涂层空隙相对较多，二次成膜相对困难，而且成膜物降解后涂层线性膨胀系数降低，升降温过程中易因线性膨胀系数不匹配而开裂。

1研究背景

众所周知，地球表面的热能主要来自阳光，阳光的光谱主要集中在200至2500 nm的范围内，其中能量约占太阳总能量的5%，在400至720 nm的范围内，能量约占总光能量的45% 在720至2500 nm范围内，能量是红外线，占太阳总能量的一半。 红外线对人眼来说是看不见的，因此，如果不影响可见光的传递，如何有效地阻挡红外线，提高玻璃的隔热性能，是国内外研究开发技术的主要挑战之一。目前，高质量、透明的隔热薄膜的研究和开发主要集中在美国和日本等发达国家。尽管在现有技术中阻挡阳光的方法有多种，但每种方法都有其自身的问题。。以建筑中最常用的隔热玻璃为例:低热辐射玻璃(Low-E)。这种玻璃是通过在普通玻璃表面涂复而隔离的。但是，一旦玻璃广泛应用于建筑的外墙，尽管它对建筑本身具有良好的热保温效果——它本身就很好地反映了阳光，并引起了许多光污染问题。在受光污染的环境中长时间工作可能导致视力下降和头晕、失眠、心悸、食欲减退和抑郁等症状，严重影响人们的身心健康。此外，Low-E玻璃无法分离玻璃表面，例如稍后油漆，而且其寿命比玻璃短得多，即使由于金属层氧化，因此Low-E玻璃也不能改装成建筑玻璃存货。此外，着色玻璃还吸收可见光，同时吸收热量，从而显着降低可见光穿透率，并为隔热层提供浅颜色，从而大大限制场景中高可见光的使用，例如将玻璃阻挡在汽车前面。目前市场上使用最广泛的红外吸收材料——钨青铜——具有最佳的红外吸收效果，但在紫外线辐射下具有光化学脱色，在加热条件下，它与水和氧发生不可逆的氧化反应，产生三氧化钨并丧失其红外吸收能力。

2隔热防损伤涂层材料组成及结构设计

2.1防热损伤涂层结构

从防热损伤涂层结构上来讲，主要有三种形式：双层结构、多层结构和梯度结构。目前，最常用的双层结构主要由金属黏结层和陶瓷面层组成。陶瓷面层作为主要隔热层，使陶瓷面层以上的区域与高温金属基底有一定的温度差；金属黏结层缓解陶瓷面层和金属基底间的热膨胀不匹配，并为TGO层提供铝源，防止基底氧化等。双层结构工艺相对成熟、结构简单，但是陶瓷面层与金属黏结层的热膨胀系数以及弹性模量并不完全匹配，在冷热交替循环服役过程中将会剥落。为缓解双层结构涂层内部的应力集中，可以将隔热防损伤涂层设计为多层结构，主要由金属黏结层、扩散阻挡层、多层陶瓷隔热层和封阻层等构成。扩散阻挡层可选择性阻挡某些元素透过金属黏结层渗透到高温金属基底，如硅酸盐层作为阻氧层，可以改善黏结层的抗氧化性能。在高温工作环境下，封阻层也可以降低透过陶瓷面层的氧扩散速率，防止黏结层氧化，同时阻止外界腐蚀性介质的侵蚀。其中，常用的封阻层材料有水玻璃、NiCrBSi涂层以及有机硅树脂等。

2.2隔热防损伤涂层材料

金属黏结层是陶瓷面层和金属基底间的过渡层，通常具有与基底相近的物理化学性质；可以增强陶瓷与金属基底的机械结合，同时不与陶瓷面层发生反应；可以阻隔已经渗透过陶瓷面层的氧元素，避免基底氧化；协调陶瓷面层与高温合金基底热膨胀系数，避免涂层在宽温域范围内过早的分离、剥落等。根据加工方法和使用时间的不同而变化，黏结层厚度通常为75~150μm。金属黏结层材料可以为MCrAlY（M为Fe、Co、Ni或Co+Ni）、NiPtAl、β-NiAl等。早期的黏结层成分为NiAl，它的热膨胀系数与绝大多数的钢材相近且与金属基底的热物理性能匹配性较好。NiAl材料熔点高（约1638℃），密度仅为5.9g/cm3，高温服役寿命长，在1200℃以上还能形成具有保护作用的Al2O3膜。在NiAl中加入稀土元素RE（如Y、Hf、Th、Ce、La、Ru等），可以显著提高Al2O3膜黏附性，促使氧化膜由等轴晶变为柱状晶结构，进而改善NiAl合金和涂层的抗高温氧化性能，即表现出活性元素效应（REE）。但RE的添加量不能过高，也不能过低，一般为0.1%~1%（质量分数），添加量过低起不到增强黏附作用，高于此含量反而会加速氧化膜的剥落。GUO等[40]在NiAl中加入稀土元素Dy，发现Dy主要分布于相界处，它可以改变不同相的分布状态，使晶粒细化，同时提高氧化膜的抗热循环氧化能力。

3涂层应用助力我国绿色化发展

2019年11月，稀土研究所利用yi thigwei技术建立了稀土联合实验室，共同推进稀土纳米非金属热涂层的工业化进程，以及稀土和l纳米非金属热材料的制备技术 我们在全国稀有土地上建造了第一条纳米热阵列实验生产线，可节省25%至40 %的能源。” yi zhuowi科技总经理杨良子表示，所制定的涂料指标与国外产品相比，甚至优于国外产品，在技术层面上，已经实现了曲线超越，填补了国内破损热玻璃涂料材料的空白，同时完全取代了产品因此，夏季室外高温会流入室内，增加空调负荷，红/紫外辐射会造成人体皮肤燃烧的感觉；涂层层可与200-400nm至700~2500nm的光波产生等离子体共振，放射性热能不能穿透涂层层，从而实现良好的隔热和防晒效果。与此同时，通过阻挡放射性热能，室内温度不可能迅速持续上升，空调负荷降低，空调成本大幅降低，节能目标实现。冬季，室内热源始终基本上是红色的室外光源，即粒子内部振动向外传递电磁波，使热电磁波不能有效地穿透破碎的稀土涂层(等离子共振)，热源被留下.

结束语

玻璃涂层可广泛运用于节能环保型汽车和节能型建筑玻璃上，能有效解决汽车和建筑内部温度高、空调能耗大等问题，产值亿元以上，同时，为我国节能环保事业做出巨大贡献。

参考文献

[1]黑科技：玻璃上的稀土涂层可节能25%～40%[J].江苏建材,2021(04):47.

[2]于博.普碳钢高温防护涂层的制备及防护机理研究[D].中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所),2021.

[3]于晓杰.钐钴合金/玻璃涂层界面反应与润湿[D].钢铁研究总院,2021.

[4]蒋楠.高性能抗紫外自清洁玻璃涂层的制备与表征[D].华东理工大学,2018.

[5]刘睿东.钛合金用玻璃基防氧化及润滑涂层研究[D].华中科技大学,2016.